Question

شرح القانون الأول للثرموديناميك بالتفصيل؟

Answer 1

القانون الأول للثرموديناميك First Law of Thermodynamics

- يمكن صياغة القانون الأول للثرموديناميك في القانون التالي:

ΔE  =  q + W

q = كمية الحرارة

W = الشغل

ΔE = الطاقة الداخلية

ملاحظات هامة على القانون الأول للثرموديناميك

(1) تكون قيمة q موجبة: إذا كان النظام يكتسب حرارة من الوسط المحيط. 

(2) تكون قيمة q سالبة: إذا كان المحيط يكتسب حرارة من النظام. 

(3) تكون قيمة q موجبة: إذا كان المحيط يعمل شغل على النظام. 

(4) تكون قيمة q سالبة: إذا كان النظام يعمل شغل على الوسط المحيط.

- يسمى القانون الأول الثرموديناميك أيضاً قانون حفظ الطاقة ، فقد لاحظ العلماء عندما ينتقل النظام من حـالة إلى أخـرى فـإن الطاقة لا تفنى ولا تسـتـحـدث ، وإنما تنتقل من النظام إلى المحيط والعكس او تتغير من شكل إلى آخر.

- ويمكن توضيح ذلك من خلال المثال التالي: 

تجربة أثبات أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث

إذا كان لدينا أسطوانة عليـهـا مكبس تحـتـوي على غـاز عند 25C° وضعت هذه الأسطوانة داخل ماء يغلي ، مما أدى إلى تمدد الغاز داخل الأسطوانة ، فإذا كانت كمية الحرارة المنتقلة من المحيط (الماء المغلي) إلى النظام (الأسطوانة) 500J وكان الشغل الذي قام به النظام 200J

يمكن توضيح ما حدث في المثال السابق كما يلي:

(أ) عند وضع الأسطوانة في الماء المغلي (المحيط) انتقلت الحرارة من الماء المغلي إلى النظام (الأسطوانة(.

(ب) حدث تمدد في الغاز مما أدى إلى اندفاع المكبس الذي عمل شغل على النظام . 

ومما سبق يمكن إيجاد التـغيـر في الطاقة الداخلية ΔE للنظام ثم للمحيط ومقارنتهما مع بعض:

( التغير في الطاقة الداخلية للنظام )

ΔE  =  q + W للنظام

300J  = (+500) + (-200)+

- لاحظ ان النظام اكتسب حرارة من المحيط لذلك فإن إشارته موجبة ، ولاحظ ان النظام بذل شغلاً على المحيط لذلك تكون إشارة الشغل سالبة.

( التغير في الطاقة الداخلية للمحيط)

ΔE  =  q + W للمحيط

300J  = (-500) + (+200)-

 يبدو أنك لاحظت أن مجموع التغير في الطاقة الداخلية يساوي صفراً

وهذا يعني أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث.

ملاحظات هامة

- هناك بعض الكتب تذكر القانون التالي ( ΔE = q - W ) وهذا القانون صحيح ولكنه يختلف عن القانون الأول في إشارة الشغل كما يلي: 

(أ) تكون قيمة W سالبة: إذا كان المحيط يعمل شغل على النظام. 

(ب) تكون قيمة W موجبة: إذا كان النظام يعمل شغل على الوسط المحيط.

يرمز للتغير في الطاقة الداخلية بـ ΔE أو ΔU

Answer 2

القانون ΔE= q - PΔV

من القانون ( ΔE = q + W) والقانون (W = - P ΔV ) نستنتج القانون التالي:

ΔE = q - PΔV

وللقانون السابق حالات منها:

(1) عندما تكون عملية التغير تحت حجم ثابت (ΔV = Zero)

W = -P ΔV

وحيث أن: ΔV=Zero ، W = Zero فأن:

ΔE = q + W

 ΔE_(v) = q_v

أي أنه عند حجم ثابت فإن التغير الطاقة الداخلية تساوي التغير الحراري .  ΔE_(v) = q

لاحظ ان : وحدة kJ/mol = ΔE  ، ووحدة q = kJ

 ΔE_(v) = q عندما يكون عدد المولات واحد فقط (1 = n)

ولكن إذا كان عدد المولات (n) أكثر من واحد فإن: 

ومن ذلك نستنتج ما يلي:

(أ) في التفاعلات الطاردة للحرارة : حرارة التفاعل (q) = سالب

- التغير في الطاقة الداخلية = q = سالب

- الطاقة الداخلية تقل.

(ب) في التفاعلات الماصة للحرارة : حرارة التفاعل (q) = موجب

- التغير في الطاقة الداخلية = q = موجب

- الطاقة الداخلية تزداد.

(2) عندما تكون درجة الحرارة ثابتة.

في هذه الحـالـة فـإن عدم حدوث تغـيـر في درجـة الحـرارة (ΔT = Zero) ، يؤدي إلى عـدم حدوث تغير في الطاقة الداخلية (ΔE = Zero) .

ΔE = q - PΔV

Zero = q - PΔV

q = PΔV

( حيث ان W = - PΔV )

q = PΔV = - W

(3) عندما يكون الضغط ثابتاً

عند ثبوت الضغط فإن ذلك لن يؤثر على المعادلة حيث تكتب كما هي:

ΔE = q_p - PΔV

ΔE + PΔV = q_p

(4) عندما تكون العملية مكظومة ( Adiabatic change).

وهو التغير الذي يحدث لنظام معزول ، وفي هذه الحالة لا يحدث تبادل حرارة بين النظام والمحيط أي أن (q) = صفر

ΔE = q - PΔV

ΔE = Zero - PΔV

ΔE = - PΔV

ΔE = - PΔV = W

( حيث ان W = - PAV )

(5) عندما تكون العملية دائرية (Isothermal change).

وهو التغير الايزوثيرمي الذي يحدث لنظام عند درجة حرارة ثابتة ، أي أن العملية الدائرية أي أن الطاقة الداخلية تتغير لتعود مرة أخرى كما كانت.

ΔE = E₂ = E₁ = zero

ΔE = q - PΔV

Zero = q - PΔV

q = PΔV = -W

( حيث أن W = PΔV- )

نستنتج أن كمية الحرارة تساوي الشغل المبذول ، وهذا يتماشى مع قانون حفظ الطاقة الذي ينص على ان الطاقة لا تفني ولا تستحدث.